El amplificador de emisor común

Supongamos que estuviéramos interesados ​​en utilizar la célula solar como instrumento de intensidad de luz. Queremos medir la intensidad de la luz incidente con la celda solar utilizando su corriente de salida para impulsar el movimiento de un medidor. Es posible conectar directamente un movimiento de medidor a una celda solar para este propósito. Los medidores de exposición a la luz más simples para trabajos de fotografía están diseñados así.

La luz de alta intensidad impulsa directamente el medidor de luz.

Aunque este enfoque podría funcionar para mediciones de intensidad de luz moderada, no funcionaría tan bien para mediciones de intensidad de luz baja. Debido a que la celda solar tiene que satisfacer las necesidades de energía del movimiento del medidor, el sistema está necesariamente limitado en su sensibilidad. Suponiendo que nuestra necesidad aquí sea medir intensidades de luz de muy bajo nivel, nos vemos presionados para encontrar otra solución.

Transistor como amplificador

Quizás la solución más directa a este problema de medición es utilizar un transistor para amplificar la corriente de la celda solar para que se pueda obtener una mayor deflexión del medidor con menos luz incidente.

La corriente de la celda debe amplificarse para obtener luz de baja intensidad.

La corriente a través del movimiento del medidor en este circuito será β veces la corriente de la celda solar. Con un transistor β de 100, esto representa un aumento sustancial en la sensibilidad de la medición. Es prudente señalar que la energía adicional para mover la aguja del medidor proviene de la batería en el extremo derecho del circuito, no de la celda solar en sí. Todo lo que hace la corriente de la celda solar es controlar corriente de la batería al medidor para proporcionar una lectura del medidor mayor que la que la celda solar podría proporcionar sin ayuda.

Debido a que el transistor es un dispositivo regulador de corriente, y debido a que las indicaciones de movimiento del medidor se basan en la corriente a través de la bobina móvil, la indicación del medidor en este circuito debe depender solo de la corriente de la celda solar, no de la cantidad de voltaje proporcionado por el batería. Esto significa que la precisión del circuito será independiente del estado de la batería, ¡una característica importante! Todo lo que se requiere de la batería es un cierto voltaje mínimo y la capacidad de salida de corriente para impulsar el medidor a escala completa.

Salida de voltaje debido a la corriente a través de una resistencia de carga

Otra forma en que se puede utilizar la configuración de emisor común es producir una tensión de salida derivado de la señal de entrada, en lugar de la salida específica corriente . Reemplacemos el movimiento del medidor con una resistencia simple y midamos el voltaje entre el colector y el emisor.

El amplificador de emisor común desarrolla una salida de voltaje debido a la corriente a través de la resistencia de carga.

Con la celda solar oscurecida (sin corriente), el transistor estará en modo de corte y se comportará como un interruptor abierto entre colector y emisor. Esto producirá una caída de voltaje máxima entre el colector y el emisor para una _salida máxima de V , igual al voltaje total de la batería.

A plena potencia (máxima exposición a la luz), la celda solar conducirá el transistor al modo de saturación, haciendo que se comporte como un interruptor cerrado entre el colector y el emisor. El resultado será una caída de voltaje mínima entre el colector y el emisor, o voltaje de salida casi nulo. En realidad, un transistor saturado nunca puede lograr una caída de voltaje cero entre el colector y el emisor debido a las dos uniones PN a través de las cuales debe viajar la corriente del colector. Sin embargo, este "voltaje de saturación colector-emisor" será bastante bajo, alrededor de varias décimas de voltio, dependiendo del transistor específico utilizado.

Para niveles de exposición a la luz en algún lugar entre cero y la salida máxima de la celda solar, el transistor estará en su modo activo y el voltaje de salida estará en algún lugar entre cero y el voltaje total de la batería. Una cualidad importante a tener en cuenta aquí sobre la configuración de emisor común es que el voltaje de salida está invertido con respecto a la señal de entrada. Es decir, el voltaje de salida disminuye a medida que aumenta la señal de entrada. Por esta razón, la configuración del amplificador de emisor común se conoce como inversor amplificador.

Una rápida simulación SPICE (figura siguiente) del circuito en la figura siguiente verificará nuestras conclusiones cualitativas sobre este circuito amplificador.

 * amplificador de emisor común i1 0 1 dc q1 2 1 0 mod1 r 3 2 5000 v1 3 0 dc 15 .model mod1 npn .dc i1 0 50u 2u .plot dc v (2,0) .end 

Esquema de emisor común con números de nodo y la lista de redes SPICE correspondiente.

Emisor común:salida de voltaje del colector frente a entrada de corriente base.

Al comienzo de la simulación en la figura anterior, donde la fuente de corriente (celda solar) está emitiendo corriente cero, el transistor está en modo de corte y los 15 voltios completos de la batería se muestran en la salida del amplificador (entre los nodos 2 y 0) . A medida que la corriente de la celda solar comienza a aumentar, el voltaje de salida disminuye proporcionalmente, hasta que el transistor alcanza la saturación a 30 µA de corriente base (3 mA de corriente de colector). Observe cómo la traza del voltaje de salida en el gráfico es perfectamente lineal (pasos de 1 voltio de 15 voltios a 1 voltio) hasta el punto de saturación, donde nunca llega a cero. Este es el efecto mencionado anteriormente, donde un transistor saturado nunca puede lograr una caída de voltaje exactamente cero entre el colector y el emisor debido a los efectos de la unión interna. Lo que sí vemos es una fuerte disminución del voltaje de salida de 1 voltio a 0,2261 voltios a medida que la corriente de entrada aumenta de 28 µA a 30 µA, y luego una disminución continua del voltaje de salida a partir de ese momento (aunque en pasos progresivamente más pequeños). El voltaje de salida más bajo que se obtiene en esta simulación es 0,1299 voltios, acercándose asintóticamente a cero.

Transistor como amplificador de CA

Hasta ahora, hemos visto el transistor utilizado como amplificador para señales de CC. En el ejemplo del medidor de luz de celda solar, estábamos interesados ​​en amplificar la salida de CC de la celda solar para impulsar el movimiento de un medidor de CC o para producir un voltaje de salida de CC. Sin embargo, esta no es la única forma en que se puede emplear un transistor como amplificador. A menudo un AC amplificador para amplificar alternando se desean señales de corriente y voltaje. Una aplicación común de esto es en la electrónica de audio (radios, televisores y sistemas de megafonía). Anteriormente, vimos un ejemplo de la salida de audio de un diapasón que activa un interruptor de transistor. Veamos si podemos modificar ese circuito para enviar energía a un altavoz en lugar de a una lámpara en la figura siguiente.

Interruptor de transistor activado por audio.

En el circuito original, se utilizó un puente rectificador de onda completa para convertir la señal de salida de CA del micrófono en un voltaje de CC para impulsar la entrada del transistor. Todo lo que nos importaba aquí era encender la lámpara con una señal de sonido del micrófono, y esta disposición fue suficiente para ese propósito. Pero ahora queremos reproducir la señal de CA y activar un altavoz. Esto significa que ya no podemos rectificar la salida del micrófono, porque necesitamos una señal de CA no distorsionada para impulsar el transistor, quitar el puente rectificador y reemplazar la lámpara con un altavoz:

El amplificador de emisor común impulsa el altavoz con señal de frecuencia de audio.

Dado que el micrófono puede producir voltajes que excedan la caída de voltaje directo de la unión PN (diodo) base-emisor, se debe colocar una resistencia en serie con el micrófono. Simula el circuito con SPICE. La lista de conexiones se incluye en (Figura siguiente)

Versión SPICE del amplificador de audio de emisor común.

 amplificador de emisor común vinput 1 0 sin (0 1.5 2000 0 0) r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74m .plot tran v (1,0) i (v1) .end 

Señal cortada en el colector debido a la falta de polarización de la base de CC.

La simulación traza tanto el voltaje de entrada (una señal de CA de amplitud máxima de 1,5 voltios y frecuencia de 2000 Hz) como la corriente a través de la batería de 15 voltios, que es la misma que la corriente a través del altavoz. Lo que vemos aquí es una onda sinusoidal de CA completa que alterna en direcciones positivas y negativas y una forma de onda de corriente de salida de media onda que solo pulsa en una dirección. Si estuviéramos manejando un altavoz con esta forma de onda, el sonido producido se distorsionaría.

¿Qué pasa con el circuito? ¿Por qué no reproduce fielmente toda la forma de onda de CA del micrófono? La respuesta a esta pregunta se encuentra mediante una inspección minuciosa del modelo de fuente de corriente del diodo del transistor en la figura siguiente.

El modelo muestra que la corriente base fluye en una dirección.

La corriente del colector se controla o regula, a través del mecanismo de corriente constante de acuerdo con el ritmo establecido por la corriente a través del diodo emisor base. Tenga en cuenta que ambas rutas de corriente a través del transistor son monodireccionales: ¡solo una vía! A pesar de nuestra intención de usar el transistor para amplificar una CA señal, es esencialmente un DC dispositivo, capaz de manejar corrientes en una sola dirección. Podemos aplicar una señal de entrada de voltaje de CA entre la base y el emisor, pero la corriente no puede fluir en ese circuito durante la parte del ciclo que invierte la polarización de la unión del diodo base-emisor. Por lo tanto, el transistor permanecerá en modo de corte durante esa parte del ciclo. Se “encenderá” en su modo activo solo cuando el voltaje de entrada sea de la polaridad correcta para polarizar hacia adelante el diodo emisor de base, y solo cuando ese voltaje sea lo suficientemente alto para superar la caída de voltaje hacia adelante del diodo. Recuerde que los transistores bipolares son dispositivos controlados por corriente :regulan la corriente del colector en función de la existencia de una corriente de base a emisor , no voltaje de base a emisor .

La única forma en que podemos hacer que el transistor reproduzca la forma de onda completa como la corriente a través del altavoz es mantener el transistor en su modo activo todo el tiempo. Esto significa que debemos mantener la corriente a través de la base durante todo el ciclo de forma de onda de entrada. En consecuencia, la unión del diodo base-emisor debe mantenerse polarizada hacia adelante en todo momento. Afortunadamente, esto se puede lograr con un voltaje de polarización de CC. añadido a la señal de entrada. Al conectar un voltaje de CC suficiente en serie con la fuente de señal de CA, se puede mantener la polarización directa en todos los puntos a lo largo del ciclo de onda. (Figura siguiente)

Vbias mantiene el transistor en la región activa.

 amplificador de emisor común vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v (1,0) i (v1) .end 

Corriente de salida no distorsionada I (v (1) debido a Vbias

Con la fuente de voltaje de polarización de 2,3 voltios en su lugar, el transistor permanece en su modo activo durante todo el ciclo de la onda, reproduciendo fielmente la forma de onda en el altavoz. Observe que el voltaje de entrada (medido entre los nodos 1 y 0) fluctúa entre aproximadamente 0,8 voltios y 3,8 voltios, un voltaje pico a pico de 3 voltios tal como se esperaba (voltaje de la fuente =pico de 1,5 voltios). La corriente de salida (altavoz) varía entre cero y casi 300 mA, 180 ° fuera de fase con la señal de entrada (micrófono).

La ilustración de la figura siguiente es otra vista del mismo circuito, esta vez con algunos osciloscopios ("osciloscopios") conectados en puntos cruciales para mostrar todas las señales pertinentes.

La entrada está sesgada hacia arriba en la base. La salida está invertida.

Sesgo

La necesidad de polarizar un circuito amplificador de transistor para obtener una reproducción de forma de onda completa es una consideración importante . Una sección separada de este capítulo se dedicará por completo al tema de las técnicas de sesgo y sesgo. Por ahora, es suficiente entender que la polarización puede ser necesaria para una salida de voltaje y corriente adecuada desde el amplificador.

Ahora que tenemos un circuito amplificador en funcionamiento, podemos investigar sus ganancias de voltaje, corriente y potencia. El transistor genérico utilizado en estos análisis SPICE tiene un β de 100, como lo indica la breve impresión de estadísticas de transistores incluida en el resultado de texto en la Tabla a continuación (estas estadísticas se cortaron de los dos últimos análisis en aras de la brevedad).

Parámetros del modelo BJT SPICE.

 tipo npn es 1.00E-16 bf 100.000 nf 1.000 br 1.000 nr 1.000 

β aparece bajo la abreviatura "bf", que en realidad significa "beta, forward" . Si quisiéramos insertar nuestra propia relación β para el análisis, podríamos haberlo hecho en la línea .model de la lista de redes SPICE.

Dado que β es la relación entre la corriente del colector y la corriente de la base, y tenemos nuestra carga conectada en serie con el terminal del colector del transistor y nuestra fuente conectada en serie con la base, la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada es igual a beta. Por lo tanto, nuestra ganancia actual para este amplificador de ejemplo es 100 o 40 dB.

Aumento de voltaje

La ganancia de voltaje es un poco más complicada de calcular que la ganancia de corriente para este circuito. Como siempre, la ganancia de voltaje se define como la relación entre el voltaje de salida dividido por el voltaje de entrada. Con el fin de determinar experimentalmente esto, modificamos nuestro último análisis SPICE para trazar el voltaje de salida en lugar de la corriente de salida, por lo que tenemos dos diagramas de voltaje para comparar en la siguiente figura.

 amplificador de emisor común vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 8 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v (1,0) v (3) .end 

V (3), el voltaje de salida en r spkr , en comparación con la entrada.

Trazado en la misma escala (de 0 a 4 voltios), vemos que la forma de onda de salida en la Figura anterior tiene una amplitud pico a pico más pequeña que la forma de onda de entrada, además de estar en un voltaje de polarización más bajo, no elevado desde 0 voltios como la entrada. Dado que la ganancia de voltaje para un amplificador de CA se define por la relación de amplitudes de CA, podemos ignorar cualquier polarización de CC que separe las dos formas de onda. Aun así, la forma de onda de entrada es aún mayor que la de salida, lo que nos dice que la ganancia de voltaje es menor que 1 (una cifra de dB negativa).

La ganancia de voltaje bajo no es una característica de todos amplificadores de emisor común. Es consecuencia de la gran disparidad entre las resistencias de entrada y de carga. La resistencia de entrada (R1) aquí es de 1000 Ω, mientras que la carga (altavoz) es de solo 8 Ω. Debido a que la ganancia de corriente de este amplificador está determinada únicamente por la β del transistor, y debido a que la cifra de β es fija, la ganancia de corriente para este amplificador no cambiará con variaciones en cualquiera de estas resistencias. Sin embargo, la ganancia de voltaje es dependiente de estas resistencias. Si modificamos la resistencia de carga, haciéndola un valor mayor, caerá un voltaje proporcionalmente mayor para su rango de corrientes de carga, lo que resultará en una forma de onda de salida más grande. Pruebe con otra simulación, solo que esta vez con una carga de 30 Ω en la figura siguiente en lugar de una carga de 8 Ω.

 amplificador de emisor común vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.78 m .plot tran v (1,0) v (3) .end 

Aumentando r _spkr a 30 Ω aumenta el voltaje de salida

Esta vez, la forma de onda del voltaje de salida en la figura anterior es significativamente mayor en amplitud que la forma de onda de entrada. Mirando de cerca, podemos ver que la forma de onda de salida alcanza un pico entre 0 y aproximadamente 9 voltios:aproximadamente 3 veces la amplitud del voltaje de entrada.

Podemos hacer otro análisis por computadora de este circuito, esta vez instruyendo a SPICE para que lo analice desde un punto de vista de CA, dándonos cifras de voltaje pico para entrada y salida en lugar de una gráfica basada en el tiempo de las formas de onda. (Tabla a continuación)

Lista de redes SPICE para imprimir voltajes de entrada y salida de CA.

 amplificador de emisor común vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v ( 1,0) v (4,3) .Frecuencia final v (1) v (4,3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

Las mediciones de voltaje máximo de entrada y salida muestran una entrada de 1,5 voltios y una salida de 4,418 voltios. Esto nos da una relación de ganancia de voltaje de 2.9453 (4.418 V / 1.5 V) o 9.3827 dB.

Resolviendo la ganancia de voltaje:

Debido a que la ganancia de corriente del amplificador de emisor común está fijada por β, y dado que los voltajes de entrada y salida serán iguales a las corrientes de entrada y salida multiplicadas por sus resistencias respectivas, podemos derivar una ecuación para la ganancia de voltaje aproximada:

Como puede ver, los resultados predichos para la ganancia de voltaje están bastante cerca de los resultados simulados. Con un comportamiento de transistor perfectamente lineal, los dos conjuntos de figuras coincidirían exactamente. SPICE hace un trabajo razonable al tener en cuenta las muchas "peculiaridades" de la función del transistor bipolar en su análisis, de ahí la ligera discrepancia en la ganancia de voltaje basada en la salida de SPICE.

Estas ganancias de voltaje siguen siendo las mismas independientemente de dónde midamos el voltaje de salida en el circuito:a través del colector y el emisor, o la resistencia de carga en serie, como hicimos en el último análisis. La cantidad de voltaje de salida cambia para cualquier cantidad dada de voltaje de entrada seguirá siendo el mismo. Considere los dos análisis siguientes de SPICE como prueba de esto. La primera simulación en la figura siguiente se basa en el tiempo, para proporcionar un gráfico de los voltajes de entrada y salida. Notarás que las dos señales están desfasadas 180o entre sí. La segunda simulación en la Tabla a continuación es un análisis de CA, para proporcionar lecturas de voltaje pico simples para entrada y salida.

 amplificador de emisor común vinput 1 5 sin (0 1.5 2000 0 0) vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .tran 0.02m 0.74 m .plot tran v (1,0) v (3,0) .end 

El amplificador de emisor común muestra una ganancia de voltaje con R _spkr =30Ω Lista de redes SPICE para análisis de CA

 amplificador de emisor común vinput 1 5 ac 1.5 vbias 5 0 dc 2.3 r1 1 2 1k q1 3 2 0 mod1 rspkr 3 4 30 v1 4 0 dc 15 .model mod1 npn .ac lin 1 2000 2000 .print ac v ( 1,0) v (3,0) .Frecuencia final v (1) v (3) 2.000E + 03 1.500E + 00 4.418E + 00 

Todavía tenemos un voltaje de salida máximo de 4,418 voltios con un voltaje de entrada máximo de 1,5 voltios.

Hasta ahora, todos los circuitos de ejemplo que se muestran en esta sección han usado transistores NPN. Los transistores PNP son tan válidos para usar como NPN en cualquier configuración del amplificador, siempre que se mantengan la polaridad y las direcciones de corriente adecuadas, y el amplificador de emisor común no es una excepción. La inversión de salida y la ganancia de un amplificador de transistor PNP son las mismas que su contraparte NPN, solo que las polaridades de la batería son diferentes.

Versión PNP del amplificador de emisor común.

REVISAR:

• Emisor común Los amplificadores de transistor se denominan así porque los puntos de voltaje de entrada y salida comparten el cable emisor del transistor en común entre sí, sin considerar ninguna fuente de alimentación.
• Los transistores son esencialmente dispositivos de CC:no pueden manejar directamente voltajes o corrientes que invierten la dirección. Para que funcionen para amplificar señales de CA, la señal de entrada debe compensarse con un voltaje de CC para mantener el transistor en su modo activo durante todo el ciclo de la onda. Esto se llama sesgo .
• Si el voltaje de salida se mide entre el emisor y el colector en un amplificador de emisor común, estará 180 ° fuera de fase con la forma de onda del voltaje de entrada. Por lo tanto, el amplificador de emisor común se denomina inversor circuito amplificador.
• La ganancia de corriente de un amplificador de transistor de emisor común con la carga conectada en serie con el colector es igual a β. La ganancia de voltaje de un amplificador de transistor de emisor común se da aquí aproximadamente:

• Donde "Rout" es la resistencia conectada en serie con el colector y "Rin" es la resistencia conectada en serie con la base.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase A